化學(xué)電源 (人教版選修4)

第四章電化學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)化學(xué)電源第1課時新課標(biāo)人教版高中化學(xué)課件系列選修4化學(xué)反應(yīng)原理2023/2/41形形色色的電池

A

CuZn

稀H2SO4KOH溶液

CH4O2

H2Oa極b極化學(xué)電源2023/2/42形形色色的電池化學(xué)電源2023/2/43用途廣泛的電池用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池化學(xué)電源2023/2/44用途廣泛的電池用于“神六”的太陽能電池筆記本電腦專用電池手機(jī)專用電池攝像機(jī)專用電池各式各樣的紐扣電池化學(xué)電源2023/2/451、化學(xué)電池化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它主要包括一次電池、二次電池、燃料電池。一次電池（干電池）：活性物質(zhì)消耗到一定程度，就不能使用；二次電池（充電電池或蓄電池）：放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生；燃料電池：一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池?；瘜W(xué)電源2023/2/462、化學(xué)電池的分類化學(xué)電池一次電池二次電池燃料電池堿性鋅錳電池鉛蓄電池氫氧燃料電池鋰離子電池銀鋅蓄電池普通鋅錳干電池鋅銀紐扣電池化學(xué)電源2023/2/473、化學(xué)電源的組成正極：常選用金屬氧化物負(fù)極：常選用較活潑金屬與活性物質(zhì)一起構(gòu)成電極的添加劑一般有：導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、緩蝕劑等。電解液：高導(dǎo)電率，化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長期貯存隔膜：較高離子傳輸能力，較低電子導(dǎo)電能力，好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)電源2023/2/484、衡量電池優(yōu)劣的指標(biāo)比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，符號(W·h)/kg,(W·h)/L比功率：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，符號W/kg,W/L儲存時間：電池的儲存時間的長短除特殊情況外，質(zhì)量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，更適合使用者的需要。化學(xué)電源2023/2/49一、一次電池(又叫干電池)普通鋅錳電池堿性電池

鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳干電池的結(jié)構(gòu)NH4Cl、ZnCl2

和H2O等1、普通干電池負(fù)極正極電池反應(yīng)：（Zn）：Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：優(yōu)點(diǎn)：制作簡單、價格便宜。缺點(diǎn)：放電時間短，電壓下降快。2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2OZn+2NH4++2MnO2=Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O一次電池2023/2/410隨著用電器朝著小型化、多功能化發(fā)展的要求，對電池的發(fā)展也提出了小型化、多功能化發(fā)展的要求。體積小、性能好的堿性鋅－錳電池應(yīng)運(yùn)而生。這類電池的重要特征是電解液由原來的中性變?yōu)殡x子導(dǎo)電性更好的堿性，負(fù)極也由鋅片改為鋅粉，反應(yīng)面積成倍增長，使放電電流大幅度提高。一次電池2023/2/4112、堿性鋅-錳干電池電解質(zhì)：KOH負(fù)極：——ZnZn+2OH--2e-

=Zn(OH)2正極：——MnO22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

缺點(diǎn)：多數(shù)只能一次使用，不能充電；價格較貴優(yōu)點(diǎn)：比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電電池反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2氫氧化氧錳一次電池2023/2/4123、鋅銀鈕扣電池正極：Ag2O+H2O+

2e-=2Ag+2OH-負(fù)極：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2鋅銀電池的負(fù)極是Zn，正極是Ag2O，電解質(zhì)是KOH?？偡磻?yīng):Zn+Ag2O+H2O＝2Ag+Zn(OH)2一次電池2023/2/4134、鋰電池鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負(fù)極，跟用相同質(zhì)量的其他金屬作負(fù)極相比較，使用壽命大大延長。一次電池2023/2/4144、鋰電池（非水有機(jī)溶劑電解液）負(fù)極：2Li-2e-=2Li+，正極：I2+2e-=2I-，總反應(yīng)：2Li+I2=2LiI跟其它金屬作負(fù)極相比，使用壽命延長，高能、質(zhì)輕、電壓高、工作效率高、儲存壽命長。為什么？與作負(fù)極材料的金屬相比較，相同質(zhì)量時鋰提供電子數(shù)最多。一次電池2023/2/415二、二次電池1、鉛蓄電池鉛蓄電池是以平行排列的鉛、鉛銻合金或鉛鈣合金柵板為主架，柵格中交替地填充著負(fù)極和正極地鉛和二氧化鉛，電解質(zhì)為H2SO4溶液。H2SO4二次電池特點(diǎn)：又稱充電電池或蓄電池，放電后可以再充電，使活性物質(zhì)可以獲得再生。這類電池可反復(fù)多次使用。二次電池2023/2/416放電過程總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb+SO42--2e-=PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

氧化反應(yīng)

還原反應(yīng)負(fù)極：①放電過程鉛蓄電池充電的反應(yīng)則是上述反應(yīng)的逆過程二次電池2023/2/417②充電過程PbSO4+2e-=Pb+SO42-

還原反應(yīng)陰極：陽極：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-

氧化反應(yīng)接電源負(fù)極接電源正極充電過程總反應(yīng)：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4鉛蓄電池的充放電過程：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電二次電池2023/2/418缺點(diǎn)：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境優(yōu)點(diǎn)：可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉二次電池2023/2/419(白色沉淀)過程放電過程充電過程負(fù)極反應(yīng)正極反應(yīng)兩電極質(zhì)量硫酸溶液能量轉(zhuǎn)換Pb(鉛)→PbSO4(硫酸鉛)PbO2→PbSO4增加硫酸濃度變小,密度變小化學(xué)能→電能PbSO4→

PbO2PbSO4(硫酸鉛)→

Pb(鉛)減少硫酸濃度變大,密度變大電能→化學(xué)能(負(fù)極)(正極)(電解液)電池反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電二次電池2023/2/4202.鎳氫電池圓柱可充鎳氫電池

方形可充鎳氫電池

鎳氫（MH-Ni)電池負(fù)極：1/2H2+OH--e-=H2O正極：NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-電池反應(yīng)：1/2H2+NiOOHNi(OH)2

放電充電二次電池2023/2/421能量密度高；無鎘污染，是一種綠色電池；可大電流快速充放電；電池工作電壓為1.2V；在小型便攜電子器件、電動工具、電動車輛和混合動力車上逐步得到應(yīng)用。Ni/MH電池優(yōu)點(diǎn)：二次電池2023/2/4223.鋰離子電池電池式：電池反應(yīng)：LiCoO2＋C6CoO2＋LiC6

二次電池2023/2/423鋰離子電池的優(yōu)越性能

相對于傳統(tǒng)的鎘鎳電池(Ni/Cd)和氫鎳電池(Ni/MH),鋰離子電池的電壓大約是它們的3倍;重量比能量密度提高了約3倍;對于同樣的功率消耗，鋰離子電池的使用期限約為鎳鎘電池的2.25~2.57倍.現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)是電子信息產(chǎn)品設(shè)計人員的普通配置.1.工作電壓高2.比能量大3.循環(huán)壽命長4.自放電率低5.無記憶效應(yīng)6.污染小二次電池2023/2/424電池名稱電壓主要優(yōu)缺點(diǎn)普通電池（鋅錳電池）1.5V優(yōu)點(diǎn)：使用方便，便宜。缺點(diǎn)：壽命、存放期短，約1.5年，不能充電。堿性鋅錳電池1.5V優(yōu)點(diǎn)：電容量大，使用壽命長。缺點(diǎn):不能充電，價格較高。鋅銀紐扣電池1.5V優(yōu)點(diǎn)：體積和質(zhì)量都小，壽命長，約2年缺點(diǎn)：不能充電，價格高。鎳鎘電池1.3V優(yōu)點(diǎn)：體積小，質(zhì)量輕，壽命長，可充放電約3000次。缺點(diǎn)：價格高。鉛蓄電池2V優(yōu)點(diǎn)：電壓穩(wěn)，電容量大，可充電便宜。缺點(diǎn)：笨重，防震性差，不防漏部分主流產(chǎn)品供電基本原理、性能和相對價格二次電池一次電池一次電池二次電池2023/2/425三、燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。（氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣燃料電池……）1、氫氧燃料電池酸性電解質(zhì)：堿性電解質(zhì)負(fù)極:2H2-4e-+4OH-==4H2O正極:O2+2H2O+4e-==4OH-總反應(yīng):2H2+O2==2H2O負(fù)極：2H2-4e-==4H+正極：O2+4H++4e-==2H2O總反應(yīng)：2H2+O2==2H2O燃料電池2023/2/426燃料電池2023/2/427燃料電池介質(zhì)電池反應(yīng)：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負(fù)極正極中性負(fù)極

正極堿性負(fù)極正極2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-燃料電池2023/2/428書寫電極反應(yīng)式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)2．負(fù)極失電子所得氧化產(chǎn)物和正極得電子所得還原產(chǎn)物，與溶液的酸堿性有關(guān)（如+4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32-形式存在）；1．將兩極反應(yīng)的電子得失數(shù)配平后，相加得到總反應(yīng)，總反應(yīng)減去一極反應(yīng)即得到另一極反應(yīng)；3．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它與H+結(jié)合成H2O、在堿性或中性溶液中它與水結(jié)合成OH-；燃料電池2023/2/4292、鋁-空氣-海水電池

1991年，我國首創(chuàng)，用作海上標(biāo)志燈。以海水為電解液，靠空氣中的氧使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。

負(fù)極：4A1-12e-

＝4A13+

正極：3O2+6H2O+12e-

＝12OH-

電池總反應(yīng)式：4A1+3O2+6H2O＝4A1(OH)3

這種海水電池比“干電池”的能量高20～50倍。燃料電池2023/2/4303、甲烷-氧燃料電池該電池用金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，又在兩極上分別通甲烷和氧氣:

負(fù)極：CH4+10OH--8e-

＝CO32-+7H2O

正極：2O2+4H2O+8e-

＝8OH-

電池總反應(yīng)式：CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O思考：甲醇燃料電池（電解質(zhì)為KOH）燃料電池2023/2/431燃料電池介質(zhì)左邊多一個氧原子左邊少一個氧原子酸性+2H+

H2O+H2O2H+中性+H2O

2OH-

+H2O2H+堿性+H2O

2OH-+2OH-H2O結(jié)合氧原子結(jié)合氧原子結(jié)合氧原子提供氧原子提供氧原子提供氧原子燃料電池2023/2/432固體燃料電池介質(zhì)電池反應(yīng)：2H2+Ｏ２=2H2O

負(fù)極正極負(fù)極

正極2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2-4e-+2O2－=2H2O

O2+4e-=2O2－

燃料電池2023/2/433小結(jié):①燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率很高，氫氧燃料電池除能量轉(zhuǎn)化率高外還可持續(xù)使用，不污染環(huán)境。②一般的可燃物均可與O2組成燃料電池，如H2、CO、CH4、乙醇等。③燃料電池一般以堿性介質(zhì)作電解液，也可用酸性介質(zhì)作電解液，二者電極反應(yīng)式是有區(qū)別的。如甲烷-氧燃料電池在酸性介質(zhì)中的電極反應(yīng)為：負(fù)極：CH4+2H2O-8e-

＝CO2+8H+

正極：2O2+8H++8e-＝4H2O

總反應(yīng)式為：CH4+2O2＝CO2+2H2O燃料電池2023/2/434負(fù)極：Al+4OH－—3e-=AlO2－

+2H2O正極：2H2O+2e-=H2+2OH－

總：2Al+2OH－

+2H2O=2AlO2－

+3H2

負(fù)極：Cu—2e-=Cu2+正極：2H++NO3－

+e-=NO2+H2O總：Cu+4H++2NO3－=2NO2+Cu2++2H2O燃料電池2023/2/435心臟起博器中用了這樣一個原電池(示意圖)：已知人體血液的pH值在7.35～7.45之間。將心臟起博器，植入如圖紅色區(qū)域靜脈血管內(nèi)，請寫出電極反應(yīng)式并分析其工作原理。放出電脈沖進(jìn)行工作Zn-負(fù)極，Pt-正極；人體體液作電解質(zhì)，溶解氧做氧化劑。負(fù)極反應(yīng)：2Zn-4e+4OH-=2Zn(OH)2

正極反應(yīng)：O2+4e+2H2O=4OH-電池反應(yīng)：2Zn+O2+2H2O=2Zn(OH)2燃料電池2023/2/4361、銀器皿日久表面逐漸變黑色，這是由于生成硫化銀，有人設(shè)計用原電池原理加以除去，其處理方法為：將一定濃度的食鹽溶液放入一鋁制容器中，再將變黑的銀器浸入溶液中，放置一段時間后，黑色會褪去而銀不會損失。試回答：在此原電池反應(yīng)中，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為

；正極發(fā)生的反應(yīng)為

；反應(yīng)過程中產(chǎn)生臭雞蛋氣味的氣體，原電池總反應(yīng)方程式為

Al-3e-=Al3＋Ag2S+2e-=2Ag+S2-3Ag2S+2Al+6H2O=6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑思考燃料電池2023/2/4372.熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物做電解質(zhì)，CO為陽極燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣為陰極助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式：負(fù)極反應(yīng)式：2CO+2CO32-

=4CO2+4e-正極反應(yīng)式：

總電池反應(yīng)：

2CO2+O2+4e-=2CO32-2CO+O2=2CO2燃料電池2023/2/4383.氫鎳電池是近年開發(fā)出來的可充電電池，它可以取代會產(chǎn)生鎘污染的鎘鎳電池。氫鎳電池的總反應(yīng)式是：

1/2H2+NiO(OH)Ni(OH)2據(jù)此反應(yīng)判斷，下列敘述中正確的是（）A.電池放電時，負(fù)極周圍溶液的pH不斷增大B.電池放電時，鎳元素被氧化C.電池充電時，氫元素被還原 D.電池放電時，H2是負(fù)極CD放電充電燃料電池2023/2/4394.有人設(shè)計出利用CH4和O2的反應(yīng)，用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池。電池的總反應(yīng)類似于CH4在O2中燃燒，則下列說法正確的是()①每消耗1molCH4可以向外電路提供8mole-②負(fù)極上CH4失去電子，電極反應(yīng)式：

CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O③正極上是O2獲得電子，電極反應(yīng)式為：

O2+2H2O+4e-=4OH-④電池放電后，溶液pH升高

A.①②③B.①③④C.①②④D.①②③④A燃料電池2023/2/440

5.“嫦娥一號”的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國航天技術(shù)已達(dá)到了一個新的領(lǐng)域。在航天技術(shù)上使用的氫氧燃料電池具有高能、輕便、無污染的優(yōu)點(diǎn)。氫氧燃料電池有酸式和堿式兩種，它們放電時的總反應(yīng)都可以表示為2H2+O2=2H2O，酸式電池中電解質(zhì)是酸，其負(fù)極反應(yīng)可表示為2H2-4e-=4H+

，則其正極反應(yīng)式為___________________________________________________。堿式電池的電解質(zhì)是堿，其正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-，則其負(fù)極反應(yīng)可表示為___________________________________________________。O2+4e-+4H+=2H2O

2H2-4e-+4OH-=4H2O

燃料電池2023/2/441[思維拓展]

以鎂條、鋁片為電極，以稀NaOH溶液為電解質(zhì)溶液構(gòu)